姜 東，馮大強，趙光敏，陳 偉，牛家宏

(1.中國航發(fā) 四川燃?xì)鉁u輪研究院, 四川 綿陽 621703； 2．四川大學(xué) 空天科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610065)

燃燒室是燃?xì)廨啓C的核心部件，工作過程涉及氣體流動、燃燒、傳熱、化學(xué)反應(yīng)、聲學(xué)等多個專業(yè)，其出口參數(shù)直接影響下游透平部件的性能及使用壽命。因此，燃燒室設(shè)計中需對燃料和空氣進(jìn)行合理組織分配，以滿足燃燒、傳熱及出口流場的技術(shù)要求。

近年來，由于對污染物排放要求越來越嚴(yán)格，大型燃?xì)廨啓C燃燒室普遍采用干式低氮燃燒技術(shù)，通過空氣與燃料的提前預(yù)混再燃燒，降低燃燒溫度，減少NOx的產(chǎn)生[1]。同時，燃燒室是典型的高溫部件，須要進(jìn)行細(xì)致的冷卻設(shè)計[2-3]，因此，燃燒室的主要零部件，如噴嘴、罩帽、火焰筒、過渡段通常都具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，以實現(xiàn)預(yù)期的空氣流量分配。其中，部分燃燒室的火焰筒壁面設(shè)計有摻混孔結(jié)構(gòu)，溫度較低的空氣通過摻混孔與火焰筒內(nèi)部的高溫燃?xì)饣旌弦愿淖內(nèi)紵页隹跍囟确植?，使其能滿足下游透平部件的設(shè)計要求[4-5]。Agrawal[6]通過流動試驗發(fā)現(xiàn)，摻混孔的調(diào)整不僅會影響燃燒室空氣流量分配，還將影響燃燒室內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)。Leonetti[7]的試驗表明，摻混孔的位置將改變透平進(jìn)口的速度場和湍流度尺寸。張征[8]提出采用氣動比擬法來預(yù)估摻混孔改變對摻混空氣流量及燃燒室出口截面溫度分布的影響規(guī)律。Yathisharadhya[9]、Ranjith[10]、劉凱[11]、Shrivastava[12]等研究了中心分級燃燒室摻混孔孔徑比、相對孔距等參數(shù)對出口溫度場的影響，對優(yōu)化燃燒室出口溫度品質(zhì)有一定作用。李瑞明[13]采用數(shù)值計算方法研究了摻混孔面積對二元模型駐渦燃燒室流量分配的影響，并發(fā)現(xiàn)其對油氣比、燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響。Ding[14]針對雙排摻混孔的單噴嘴旋流燃燒室試驗表明，摻混孔的位置對于貧預(yù)混燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率有顯著的影響。Kirsten[15]通過中心分級燃燒室與透平導(dǎo)葉的整體計算發(fā)現(xiàn)，摻混孔射流強度將改變透平導(dǎo)葉的表面熱負(fù)荷分布。

已有研究表明，摻混孔的參數(shù)特征對燃燒室出口溫度品質(zhì)有著重要的影響，同時也會影響進(jìn)入燃燒室頭部的空氣量，進(jìn)而影響燃燒和傳熱特性?，F(xiàn)有大型燃?xì)廨啓C的多噴嘴DLN燃燒室往往需要更多的空氣量進(jìn)入燃燒室頭部進(jìn)行預(yù)混，摻混孔調(diào)整對此類燃燒室的影響探討還略少。本文針對多噴嘴DLN燃燒室開展整體流熱耦合數(shù)值計算，研究摻混孔幾何尺寸對燃燒室工作特性的影響規(guī)律，為多噴嘴DLN燃燒室的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 研究方法

1.1 物理模型

所研究多噴嘴DLN燃燒室的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：中心噴嘴1個、外圍噴嘴5個、端蓋、罩帽、導(dǎo)流襯套、火焰筒、過渡段等主要零部件。本文對其開展整體的燃燒與流動傳熱數(shù)值計算。為了保證計算準(zhǔn)確性，除了極少數(shù)結(jié)構(gòu)簡化外，燃燒室結(jié)構(gòu)均完整地保留，數(shù)值計算域如圖2所示。為了計算零部件金屬壁面的溫度，對流體域和固體域進(jìn)行耦合傳熱求解。考慮到燃壓缸幾何尺寸過大，為減少計算量，過渡段僅進(jìn)行高溫燃?xì)鈧?cè)的流場計算。流體計算域入口在導(dǎo)流襯套與火焰筒形成的環(huán)形腔，出口為過渡段延伸段。在實際運行中，火焰筒與過渡段之間彈性密封圈存在冷氣泄漏，過渡段后安裝邊處(上、下安裝邊)也存在冷氣流動，本文計算中也考慮了這兩部分冷氣對高溫燃?xì)鈧?cè)流動傳熱分布的影響。

圖1 燃燒室基本結(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)值計算域

火焰筒上具有3個大的摻混孔，直徑為68 mm，在周向呈均勻布置。為了研究摻混孔調(diào)整對燃燒室性能的影響，分別將摻混孔的直徑減小為50 mm和32 mm。

1.2 數(shù)值方法及邊界條件

本文采用有限體積法求解N-S方程?？紤]到燃燒室內(nèi)存在復(fù)雜的旋流流動，選擇適合其特性的Realizable k-ε湍流模型；采用Simple方法求解速度與壓力的耦合，同時利用二階精度空間離散格式，進(jìn)行隱式分離求解；湍流燃燒模型選用Hybrid-EBU模型，應(yīng)用Westbrook & Dryer甲烷兩步總包機理[16]；污染物NOx計算模型采用熱力型計算；壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

數(shù)值計算邊界條件之燃燒室進(jìn)口空氣邊界條件：流量mair=15 kg/s，溫度Tin=680 K，湍流度Tu=5%。燃燒室過渡段出口壓力為Pout=1 400 kPa。燃燒室燃料為純甲烷，總流量mCH4=0.3 kg/s，中心噴嘴和外圍噴嘴按照設(shè)計比例進(jìn)行分配。

1.3 網(wǎng)格及網(wǎng)格無關(guān)解

數(shù)值計算網(wǎng)格劃分采用多面體網(wǎng)格。由于本文所研究燃燒室的幾何模型復(fù)雜，首先采用粗、中、密三套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。其中，密網(wǎng)格條件下，燃燒室內(nèi)氣膜孔、沖擊孔、燃料孔等關(guān)鍵特征幾何進(jìn)行了面網(wǎng)格加密，確保幾何特征得到解析，如圖3所示；同時流體域壁面進(jìn)行了邊界層網(wǎng)格加密，以保證計算中y+<1。此外，為保證流固耦合界面處的插值精度，固體域采用與流體域交界面相同的面網(wǎng)格密度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，避免流體、固體交界面網(wǎng)格差異過大導(dǎo)致的插值誤差。密網(wǎng)格下，流體域和固體域的總網(wǎng)格數(shù)約為1.2億。中等網(wǎng)格數(shù)量約為7 000萬，粗網(wǎng)格數(shù)量約為5 000萬。

(a) 火焰筒

不同網(wǎng)格條件下燃燒室對稱截面上的溫度場分布如圖4所示，可以看到，三種網(wǎng)格的結(jié)果呈現(xiàn)了大體相似的流動特征?；鹧嫱仓行木€上的溫度分布對比如圖5所示。隨著網(wǎng)格量的增加，中心區(qū)域的高溫峰值區(qū)逐漸減弱，并逐漸向頭部噴嘴靠近，且溫度分布更為均勻。綜合考慮計算資源和計算精度，本文采用密網(wǎng)格開展數(shù)值計算。

(a) 粗網(wǎng)格

圖5 不同網(wǎng)格密度下的燃燒室火焰筒中心線溫度分布

2 結(jié)果與分析

2.1 摻混孔調(diào)整對流量分配和燃燒室總參數(shù)影響

摻混孔調(diào)整將改變空氣流量在燃燒室內(nèi)各主要部件中的分配。如表1所示，參數(shù)D為摻混孔的直徑，可以看到，隨著摻混孔直徑的減小，若進(jìn)入燃燒室的總空氣流量不變，經(jīng)過摻混孔的空氣量從37.90%減少到12.50%。減少的空氣量被重新分配到噴嘴、主燃孔及冷卻孔。其中外圍環(huán)形區(qū)主燃孔氣量增加約9%，外圍主噴嘴增加約4.5%，中心噴嘴增加約6.2%。

表1 摻混孔變化引起的各區(qū)域空氣流量分配變化

由于空氣流量分配的改變，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)各燃燒分區(qū)的當(dāng)量比發(fā)生變化，如表2所示。在工作狀態(tài)下，外圍環(huán)形區(qū)主要起到預(yù)混合作用，混合完成后外圍噴嘴平均當(dāng)量比由0.736 9降低至0.52，處于低污染燃燒區(qū)間。中心噴嘴空氣分內(nèi)外環(huán)，燃料與內(nèi)環(huán)空氣預(yù)混合，同時在噴嘴頭有擴散燃料通道。在僅考慮內(nèi)環(huán)空氣時，計算得到中心噴嘴的平均當(dāng)量比從0.659 8降低至0.450 3，同樣處于低污染燃燒區(qū)間。

表2 摻混孔變化引起的各燃燒區(qū)當(dāng)量比變化

從表3可以看到，由于摻混孔直徑改變引起的流量分配改變并沒有影響到燃燒室出口的平均溫度；但是由于摻混孔面積的減少，導(dǎo)致燃燒室總流阻增大，燃燒室總壓損失由3.74%增加至5.90%。燃燒室總壓損失的增加一方面會降低燃?xì)廨啓C的總體熱效率和出功，另一方面將改變透平葉片冷卻空氣與高溫燃?xì)獾膲罕?，?dǎo)致冷卻空氣在葉片內(nèi)的重新分配，進(jìn)而影響透平葉片冷卻效果。

表3 摻混孔變化引起的燃燒室排氣溫度及總壓損失變化

2.2 摻混孔調(diào)整對燃燒場的影響

圖6給出了燃燒室對稱截面上的溫度場分布。可以看到，燃燒室存在中心和文丘里回流區(qū)等兩處穩(wěn)火區(qū)，燃燒高溫區(qū)被摻混孔氣流所截斷和調(diào)整。隨著摻混孔面積的減小，燃燒室內(nèi)部各區(qū)域空氣量分配改變，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)部峰值溫度和平均溫度顯著下降，高溫區(qū)范圍縮小，溫度分布更為均勻。

(a) 原始方案

圖7給出了燃燒室內(nèi)當(dāng)量比分布?？梢钥吹?，原始方案中，中心噴嘴及外圍噴嘴在燃燒區(qū)上游的平均當(dāng)量比均處于貧燃區(qū)間，但是由于中心噴嘴及外圍噴嘴的混合性能較差，導(dǎo)致在文丘里擴張段和中心噴嘴處存在較大范圍的局部近化學(xué)恰當(dāng)比區(qū)域。隨著摻混孔空氣量減少，導(dǎo)致參與燃燒空氣量增多，使得燃燒室內(nèi)燃燒區(qū)的當(dāng)量比減少。結(jié)合摻混孔調(diào)整導(dǎo)致的燃燒室內(nèi)溫度場的變化，能夠顯著降低燃燒室氮氧化物排放。本文數(shù)值計算結(jié)果中，隨著摻混孔直徑減小，NOx排放標(biāo)準(zhǔn)摩爾分?jǐn)?shù)從原始方案下的69×10-6降低至摻混孔直徑D為32 mm條件下的11×10-6。

(a) 原始方案

2.3 摻混孔調(diào)整對燃燒室壁面溫度場的影響

圖8給出了工作條件下燃燒室火焰筒金屬壁溫分布?？梢钥吹剑邷貐^(qū)主要分布在文丘里結(jié)構(gòu)的擴張段，以及下游延長的肋片冷卻區(qū)。此外，由于摻混孔氣流的卷吸，使得在火焰筒后區(qū)也存在高溫區(qū)。與前述燃燒室內(nèi)部溫度場及當(dāng)量比分布所展示的趨勢類似，由于進(jìn)入頭部的燃燒空氣量增加，使得火焰溫度降低，從而使得文丘里穩(wěn)火區(qū)，以及火焰筒后區(qū)的熱燃?xì)鉁囟冉档?，進(jìn)而降低火焰筒熱側(cè)熱負(fù)荷，使得火焰筒金屬壁溫超溫范圍縮小。另一方面，由于摻混孔氣流流量降低，射流卷吸效應(yīng)減弱，火焰筒后區(qū)的高溫區(qū)范圍也大幅減小。

(a) 原始方案

2.4 摻混孔調(diào)整對燃燒室出口溫度分布的影響

圖9為燃燒室過渡段出口溫度分布。結(jié)合燃燒室內(nèi)溫度場分布可以看到，在摻混區(qū)，原始方案的摻混孔空氣量大，摻混射流穿透深度深入到火焰筒中心，使得燃燒室內(nèi)溫度場被調(diào)整為中心低、周圍高的分布。在過渡段出口截面，由于后安裝邊冷氣的摻混，下端壁處的高溫基本被抹平，但80%～90%相對高度處依然有高溫峰值的存在，使得最終出口徑向溫度分布呈現(xiàn)上部偏高、下部偏低的分布。在透平葉片設(shè)計中，葉根和葉頂?shù)睦鋮s設(shè)計尤為困難。顯然，燃燒室的出口溫度分布對下游透平葉片葉頂處的冷卻設(shè)計提出了較高的要求。摻混孔的減小使得燃燒室頭部空氣量增加，頭部燃燒溫度場更均勻，因此降低了過渡段出口的峰值溫度。

(a) 原始方案

燃燒室出口徑向溫度分布系數(shù)δr是評價出口溫度場品質(zhì)的重要數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，其表達(dá)式為：

(1)

對比摻混孔調(diào)整前后的燃燒室出口徑向溫度分布系數(shù)δr分布，如圖10所示，可以看到，摻混孔并未使過渡段出口溫度分布剖面發(fā)生明顯的改變。這是由于，多噴嘴燃燒室的燃燒區(qū)域較廣，在20%～80%高度上即具有相對均勻的溫度分布。隨著摻混空氣流量的減小，射流強度減弱，其對燃燒室溫度場的調(diào)節(jié)范圍逐漸減小。燃燒室過渡段出口溫度分布更多受到過渡段內(nèi)流場結(jié)構(gòu)的影響。

圖10 燃燒室過渡段出口徑向溫度分布系數(shù)

4 結(jié)論

本文針對多噴嘴DLN燃燒室開展整體數(shù)值計算，研究摻混孔幾何尺寸調(diào)整對燃燒室工作特性的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 摻混孔調(diào)整將改變?nèi)紵覂?nèi)空氣流量分配。對于本文研究的多噴嘴DLN燃燒室而言，通過減小摻混孔徑，進(jìn)入燃燒室頭部的空氣量增大，燃燒區(qū)的當(dāng)量比減少，燃燒室內(nèi)峰值溫度和平均溫度顯著下降，高溫區(qū)范圍縮小，溫度分布更為均勻，改善了燃燒特性。

(2) 摻混孔射流產(chǎn)生的卷吸效應(yīng)，易使得高溫燃?xì)饪拷鹧嫱脖诿妫纬苫鹧嫱步饘俦诿娴木植扛邷貐^(qū)。摻混孔減小后，燃燒場溫度更為均勻，且射流卷吸效應(yīng)減弱，使火焰筒壁面的高溫區(qū)范圍大幅縮小。

(3) 多噴嘴DLN燃燒室過渡段出口的80%～90%相對高度處溫度較高，其出口徑向溫度分布呈現(xiàn)上部偏高、下部偏低的特征，給下游透平葉片的葉頂冷卻設(shè)計提出了較高的要求。摻混孔調(diào)整對其出口溫度分布的調(diào)節(jié)能力較弱，燃燒室過渡段出口溫度分布更多受到過渡段內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)的影響。

(4) 對于多噴嘴DLN燃燒室而言，減小摻混孔空氣量有利于燃燒組織和污染物控制，但所帶來的燃燒室總壓損失增大及出口溫度分布特征，在總體性能和透平冷卻設(shè)計中應(yīng)予以重視。